柴油机部分零部件模态计算与试验-潍柴

罗国良 李京鲁 康明明 季炳伟 韩峰 田新伟

（潍柴动力股份有限公司）

摘 要：本文解释了结构模态和模态分析的概念，以某曲轴、气缸体、油底壳为例，说明了模态分析的计算和试验手段，讨论了计算和试验相关联的方法，说明ABAQUS的特征值提取模块在模态分析中的应用。

关键词：曲轴 气缸体 油底壳 ABAQUS 模态分析 模态试验

1.前言

模态是结构系统的固有振动特性，每个模态都具有特定的模态参数。模态分析是研究结构动力特性的主要方法之一，包括计算和试验两种手段，其目的在于识别出结构系统的模态参数，为结构动力响应预测、动力修改和优化设计、振动和噪声控制、状态监测、故障诊断等提供依据。

计算模态分析是已知结构系统的质量、刚度，利用理式求解系统的模态参数。它常和有限元技术结合起来，将结构离散成有限单元，利用变分原理建立单元动力学方程，将单元质量、刚度矩阵组合成整体质量、刚度矩阵，再利用矩阵迭代法或子空间迭代法求解结构模态参数。

试验模态分析对结构物进行人为激振，通过测量激振力与测点的响应并对其进行快速傅里叶变换，得到任意两点之间的传递函数，用模态分析理论拟合试验导纳函数的曲线，识别出结构的模态参数。

对柴油机零部件进行模态分析和参数识别是进行柴油机振动和机械噪声控制的主要手段，可以了解现有柴油机零部件的动力特性，为零部件结构修改和新产品的开发提供开发手段和基础数据。2.计算环境和试验环境2.1计算环境

模态计算利用有限元方法进行，用到的软件和部分参数列于表-1。

表-1 模态计算的软件和参数CAD软件

Pro/E 4.0Hy2.2试验环境

模态试验用到的主要设备列于表-2。模态测试系统图参见图1。为尽量保证测试部件处于自由状态，曲轴和气缸体采用弹性绳悬吊支撑方式，油底壳采用塑料泡沫支撑；激振方法采用锤击脉冲激励法；对测试数据采用多次触发采样后进行平均处理。

表-2 测试设备

图1 模态测试系统图

3.曲轴模态计算和试验3.1曲轴简介

曲轴是柴油机的动力输出部件，由前端、多个单位曲拐、后端构成。曲轴的动力特性关系到轴系的扭转、纵向、横向振动、配气机构的振动，对曲轴的模态进行分析和试验识别具有重要的意义。3.2模态计算和试验

模态试验测点布置见图2，选择测点21作为激励点，采样频率2048Hz。

图3-图6表示曲轴的前四阶模态的计算结果和试验结果。模态计算和试验结果表明，前四阶的振型和固有频率具有很高的吻合程度，频率差异百分比在2%以内；而5-10阶因暂时没找到试验测试的数据，本文没有进行对比，曲轴前十阶模态结果参见表-3。

图2 曲轴模态试验测点布置图

图3 曲轴第1阶计算模态和试验模态

图4 曲轴第2阶计算模态和试验模态

图5 曲轴第3阶计算模态和试验模态

图6 曲轴第4阶计算模态和试验模态

计算（Hz）116.04134.61288.75330.93346.49448.93524.48557.91740.62807.51

表-3 曲轴计算模态和试验模态对比

试验

差异备注

（Hz）114.051.71%一阶横弯133.360.93%一阶纵弯284.091.61%二阶横弯324.921.82%二阶纵弯————轴向伸缩伴随一阶弯曲————一阶扭转————三阶弯曲————三阶弯曲————四阶弯曲————四阶弯曲

阶数1

23456710

4.气缸体模态计算与试验4.1 气缸体简介

气缸体是柴油机的主体部件，是安装活塞、曲轴以及其他零件和附件的支撑骨架；气缸体承受着各种机械载荷和热负荷，需要足够的刚度和强度。气缸体的动力学特性直接关系到柴油机的整机振动、辐射噪声和各附件的可靠性和耐久性，气缸体的动力学特性分析和试验在柴油机研发中具有重要的意义。4.2模态计算和试验

图7-20表示了曲轴的前16阶模态的计算结果和试验结果。从中可知，（1）模态试验容易丢失模态，如第4、8、9、14、15阶，原因很可能是该阶模态没有被激起来；（2）模态试验容易将一些相近的模态混淆起来；（3）在识别出来的模态中，除第13阶外，其余各阶的模态结果都非常接近，差别不超过5%。

图7 气缸体第1阶计算模态和试验模态 图8 气缸体第2阶计算模态和试验模态

图9 气缸体第3阶计算模态和试验模态 图10 气缸体第4阶计算模态

图11 气缸体第5阶计算模态和试验模态 图12 气缸体第6阶计算模态和试验模态

图13 气缸体第7阶计算模态和试验模态 图14 气缸体第8、9阶计算模态

图15 气缸体第10阶计算模态和试验模态 图16 气缸体第11阶计算模态和试验模态

图17 气缸体第12阶计算模态和试验模态 图18 气缸体第13阶计算模态和试验模态

图19 气缸体第14、15阶计算模态 图20 气缸体第16阶计算模态和试验模态

表-5 气缸体计算模态和试验模态对比

阶数123456710111213141516

5.油底壳模态计算与试验5.1 简介

油底壳是曲轴箱的下半部，用来封闭曲轴箱作为贮油槽的外壳，防止杂质进入并收集储存流回的润滑油。油底壳多由薄钢板冲压而成，属于薄壳件，是柴油辐射噪声的主要噪声源。分析油底壳的动态特性可为噪声控制和结构改进提供必要的信息。5.2油底壳模态计算和试验

模态试验测点布置见图21，选择测点107号点作为激励点。图22-28显示了前六阶模态的计算结果和试验结果。模态试验中，第1个识别的模态表现为整体晃动，不是油底壳本身的特性，可能是由于支撑方式不好造成的；第6、7个识别的模态应该是同一阶模态，振型和频率都非常接近。从表-6中看出，除第1阶模态差别较大外，其他各阶模态都比较接近。

计算（Hz）225.08395.94519.33533.15691.52837.498.28878.07937.07986.921031.511031265.11303.81329.51346.5

试228.36391.29512.92——709.63805.9850.29————972.531048.121076.911139.3————1347.5

1.46%1.17%1.23%——2.62%3.77%1.62%————1.46%1.61%2.37%9.94%————0.07%

一阶轴向扭转一阶横弯油泵安装孔弯曲起动马达安装孔弯曲

轴向错动二阶横弯扭转加纵弯裙部同相开合裙部异相开合

纵弯

油泵安装孔扭曲

裙部摆动加油泵安装孔扭曲

横弯裙部弯曲

裙部、齿轮室轴承座摆动裙部、齿轮室轴承座扭曲

图21 油底壳模态试验测点布置图

图22 测试第1个识别的模态（整体晃动）

图23 油底壳第1阶计算模态和试验模态

图24 油底壳第2阶计算模态和试验模态

图25 油底壳第3阶计算模态和试验模态

图26 油底壳第4阶计算模态和试验模态

图27 油底壳第5阶计算模态和试验模态

图28 油底壳第6阶计算模态和试验模态

表-6 油底壳各阶模态计算结果和试验结果对比

阶数1234556

6 模态计算与试验的关联

关于模态计算和试验关联的工作我们尚处于初步探索和积累阶段，一般来说，常用的模态计算和试验关联的程序是：（1）先进行有限元计算，找出模态分布区间和振型，根据频率选取采样频率，根据振型布置试验测点和激励点；（2）进行模态试验，参照计算结果，仔细测试、多次采集、认真分析，防止丢失模态或者混淆模态；（3）将有限元结果参照试验模型进行缩减输出，按照一定方法与试验结果进行频率和振型对比，获得定量的相关度信息；（4）根据试验结果修正有限元模型的不确定参数，如阻尼，连接刚度等；根据有限元结果反复测试，直到两者最终相符。在上述基础上，可以进一步地作灵敏度分析和结构修改预测。

一般来说，模态计算和试验结果存在差异的原因主要有：（1）实际零件与有限元模型常存在几何上难以发觉的差异。首先，实际零件由铸造、锻造、冲压、焊接等方式加工而成，无法保证CAD模型和实际零件完全一致；其次，有限元模型由CAD模型简化而来，可能存在不合理的简化。这两个方面都会导致计算和试验结果不同，且这两种方式都难以发现。解决方法是严格控制生产过程，保证实际结构和CAD模型的一致性；同时有限元建模过程中尽量减少简化并禁止不合理的简化，保证有限元模型可以代表真实构件的动力学特性。（2）有限元计算的材料参数不能反映实际零件的特性。各个材料参数是实际材料性质一种简化，不一定能足够准确地代表该构件的性质。具体零件的材料参数往往随着其生产加工过程的不同而有一定的变化而与标准的材料数据不一致。解决方法是有限元计算中根据零件具体情况选择最合适的材料模型和计算方法；同时不断积累，建立完善企业自己的零件材料参数数据库，使用准确的材料参数进行计算。（3）复杂装配件的非线性行为。模态计算和试验都基于线性假设，而复杂装配件由很多零件构成，可能呈现出较明显的非线性行为，如何获取各零件之间的当量连接刚度和当量连接阻尼也是一件很困难的事情。7 结语

（1）有限元计算和试验两种模态分析手段是柴油机振动和噪声控制的重要方法，两者相辅相成，缺一不可。（2）采用ABAQUS可以准确地计算柴油机零部件的模态参数，为柴油机零部件结构修改和新产品的开发提供开发方法和依据。

（3）建立完善零部件材料、CAE模型、试验数据库对于企业提高研发能力和知识积累具有至关重要的意义。参考文献

[1] 陆际清. 汽车发动机设计. 北京：清华大学出版社，1990[2] ABAQUS Inc. ABAQUS 6.6 Documentation

[3] 李舜酩. 机械疲劳与可靠性设计. 北京：科学出版社，2006

计算（Hz）42.0988.16126.95153.18157.28——197.53

试验（Hz）50.96.7134.73157.88160.43162.187.5

差异20.08%9.69%6.13%3.07%2.00%——5.08%

主要形态描述一阶扭转侧壁开合侧壁弯曲尾部扭转弯曲加侧壁内鼓

——侧壁向内鼓